CN107968210A - 一种非对称结构的燃料电池阴阳极板及由其构成的电堆 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非对称结构的燃料电池阴阳极板及由其构成的电堆，所述阴阳极板的特征在于：所述阴、阳极板均为非对称结构，且所述阴、阳极板上的氧化剂、还原剂及冷却剂的流出通道的面积大于等于其对应的流入通道的面积，介质流出通道的面积与介质流入通道的面积的比值范围为1～4。本发明能够均匀分配电堆各节电池放电所需的反应气体，减小电堆内部氧化剂、还原剂、冷却剂三种流体介质从各自的分配通道分配至各节电池内的流量差异的情况，保证电流密度分布均匀，避免局部过热，从而提高各节电池输出的电性能均一性。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池领域，更具体地，涉及一种非对称结构的燃料电池阴阳极板及由其构成的电堆。
背景技术
燃料电池(PEMFC)通过作为燃料气体的氢气和作为氧化剂气体的氧气(或空气)之间的电化学反应来发电。PEMFC具有高效率、高电流密度、高功率密度、短启动时间、以及对负载变化的快速响应等特点。
但是由于单节燃料电池的输出电压较低，一般为0.6-0.8V，所以在实际运用中，需要将许多单电池串联起来组成电堆，在堆叠的厚度方向，各节单电池上的流体分配通道就形成了流体分配管道。燃料电池工作时，外部供给的反应气体和冷却剂通过各自的流体分配管道分配到每节单电池中，进入单电池流场，再经过扩散层到达催化层反应区，发生电化学反应产生电流，反应后的尾气通过流体分配出口管道排出。由于流阻、节流等因素，电堆中每节电池的进气压力和进气流量都难以均匀，而电堆内气体的流量分配情况影响各节电池反应气体供给的充分程度，若反应气在各节电池中分配的不均衡，将导致电堆的电流密度、功率密度和发热量分布不均匀，可能局部失水、过热等，使得电堆中不同区域的电池性能差异较大。所以，各节单电池之间的流量分配均匀性能直接关系到电堆输出性能的均一性。
对于大功率的燃料电池电堆，通常输出功率在100KW左右，堆叠的单电池数量一般在300节左右，需要供给的流量随着电堆节数的增大而变大，流体分配管道内复杂的流体力学原理常常导致各节电池的流量分配不均。并且，随着电堆堆叠厚度尺寸的放大，流体分配管道内分配的均一性差异也被放大，因此，对于大功率燃料电池电堆，其流体分配管道的设计直接影响电堆的整体输出性能，如果缺乏精确的设计计算，流量可能在分配管道中呈现出随着某一方向递减的现象。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，在保证一定的反应剂流量的情况下，均匀分配电堆各节电池放电所需的反应气体，减小电堆内部氧化剂、还原剂、冷却剂三种流体介质从各自的分配通道分配至各节电池内的流量差异的情况，保证电流密度分布均匀，避免局部过热，从而提高各节电池输出的电性能均一性。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种非对称结构的燃料电池阴阳极板，包括用于分配氧化剂的阴极板和用于分配还原剂的阳极板，所述阴极板和所述阳极板上均设有供氧化剂流入的氧化剂流入通道、供还原剂流入的还原剂流入通道、供冷却剂流入的冷却剂流入通道、供氧化剂流出的氧化剂流出通道、供还原剂流出的还原剂流出通道、供冷却剂流出的冷却剂流出通道，所述阴极板上的氧化剂流入通道、还原剂流入通道、冷却剂流入通道分别与所述阳极板上的氧化剂流入通道、还原剂流入通道、冷却剂流入通道对应完全一致，所述阴极板上的氧化剂流出通道、还原剂流出通道、冷却剂流出通道分别与所述阳极板上的氧化剂流出通道、还原剂流出通道、冷却剂流出通道对应完全一致，其特征在于，
所述阴、阳极板为非对称结构，且
所述阴、阳极板上的氧化剂流入通道的面积为5cm2～60cm2，所述氧化剂流出通道的面积与所述氧化剂流入通道的面积的比值范围为1～4；
所述阴、阳极板上的还原剂流入通道的面积为2cm2～20m2为，所述还原剂流出通道的面积与所述还原剂流入通道的面积的比值范围为1～4；
所述阴、阳极板上的冷却剂流入通道的面积为5cm2～60cm2，所述冷却剂流出通道的面积与所述冷却剂流入通道的面积的比值范围为1～4。
进一步地，所述阴、阳极板上的所述氧化剂流出通道的面积与所述氧化剂流入通道的面积的比值为1.5；所述阴、阳极板上的所述冷却剂流出通道的面积与所述冷却剂流入通道的面积的比值为1.8；所述阴、阳极板上的所述还原剂流出通道的面积与所述还原剂流入通道的面积的比值为1。
进一步地，所述阴、阳极板上的氧化剂流入通道与还原剂流入通道不在阴、阳极板的同一侧；或者所述阴、阳极板上的氧化剂流入通道与还原剂流入通道位于阴、阳极板的同一侧。
进一步地，所述各通道的横截面形状通过调整横截面的长度、宽度、角度、圆角半径或相对位置实现。
进一步地，所述各通道的面积确定后，选择各通道的水力直径的最大值为各通道最优形状。
一种非对称结构的燃料电池电堆，其特征在于，由权利要求1～4所述的任一阴、阳极板和膜电极组件构成。
进一步地，所述电堆是由权利要求1～4所述的任一阴极板和阳极板经焊接成为双极板后，与所述膜电极组件层叠，经压缩紧固构成。
进一步地，所述电堆是由由权利要求1～4所述的任一阴、阳极板和膜电极组件粘接一体形成单电池，由多个单电池经压缩紧固构成。
本发明的有益效果是：
相对于相等的流入和流出的分配通道面积的阴极板和阳极板设计，本发明能在整个阴阳极板面积变化不大的情况下，优化流体介质的流入和流出的分配通道的面积，使得各节电池之间的流量分配的均一性提升，提高电堆性能输出的均一性，提高燃料电池电堆的体积比功率；
在满足电堆正常电化学反应所需的反应气体流量的前提下，减小反应气体的化学计量比，即各单电池获得的反应气的过量系数尽量接近于总管进口的过量系数，从而降低与电堆匹配的空压机和氢气循环泵的寄生功率消耗。
附图说明
图1为本发明燃料电池阴极板的结构示意图；
图2为本发明燃料电池阳极板的结构示意图；
图3为本发明燃料电池由阴、阳极板构成的双极板的结构示意图；
图4为本发明燃料电池层叠结构示意图；
图5为本发明燃料电池电堆结构示意图；
图6为本发明一具体实施例的电堆与对比例的氧化剂流量差异的曲线图；
图7为本发明一具体实施例的电堆与对比例的冷却剂流量差异的曲线图。
图中：1、阴极板氧化剂流入通道，2、阴极板冷却剂流入通道，3、阴极板还原剂流出通道，4、阴极板还原剂流入通道，5、阴极板冷却剂流出通道，6、阴极板氧化剂流出通道，7、阳极板还原剂流出通道，8、阳极板冷却剂流入通道，9、阳极板氧化剂流入通道，10、阳极板氧化剂流出通道，11、阳极板冷却剂流出通道，12、阳极板还原剂流入通道，13、非对称结构阴极板，14、非对称结构阳极板，15、非对称结构双极板，16、非对称结构双极板，17、膜电极组件，18、阴极上氧化剂的流道，19、阳极上还原剂的流道，20、电堆中氧化剂入口分配管路，21、电堆中冷却剂入口分配管道，22、电堆中还原剂出口分配管路，23、电堆中还原剂入口分配管路，24、电堆中冷却剂出口分配管道，25、电堆中氧化剂出口分配管路。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。
一种非对称结构的燃料电池阴阳极板，包括用于分配氧化剂的阴极板和用于分配还原剂的阳极板。参阅图1，阴极板上设有供氧化剂流入的氧化剂流入通道1、供还原剂流入的还原剂流入通道4、供冷却剂流入的冷却剂流入通道2、供氧化剂流出的氧化剂流出通道6、供还原剂流出的还原剂流出通道3、供冷却剂流出的冷却剂流出通道5，上述各介质均从介质流入通道进入，在对应的介质空腔内发生反应，反应后的气体产物从对应的介质流出通道流出。阴极板中间为氧化剂流道18。
参阅图2，阳极板上也设有供氧化剂流入的氧化剂流入通道9、供还原剂流入的还原剂流入通道12、供冷却剂流入的冷却剂流入通道8、供氧化剂流出的氧化剂流出通道10、供还原剂流出的还原剂流出通道7、供冷却剂流出的冷却剂流出通道11，阴极板中间为还原剂流道19。
阴极板上的氧化剂流入通道1与阳极板上的氧化剂流入通道9完全一致；阴极板上的氧化剂流出通道6与阳极板上的氧化剂流出通道10完全一致；阴极板上的还原剂流入通道4与阳极板上的还原剂流入通道12完全一致；阴极板上的还原剂流出通道3与阳极板上的还原剂流出通道7完全一致；阴极板上的冷却剂流入通道2与阳极板上的冷却剂流入通道8完全一致；阴极板上的冷却剂流出通道5与阳极板上的冷却剂流出通道11完全一致。
本发明通过使各介质流入/流出通道面积不同，影响介质在流道中的分配流场。阴极板为非对称结构，即在阴极板上，氧化剂流出通道6的面积大于氧化剂流入通道1的面积，两者面积的比值可以为1至4；还原剂流出通道3的面积大于等于流入通道4的面积，两者面积的比值可以为1至4；冷却剂流出通道5的面积大于流入通道2的面积，两者面积的比值可以为1至4。阳极板也为非对称结构，其形状与阳极板相同，即在阳极板上，氧化剂流出通道10的面积大于氧化剂流入通道9的面积，两者面积的比值为1至4；还原剂流出通道7的面积大于等于还原剂流入通道12的面积，两者面积的比值可以为1至4；冷却剂流出通道11的面积大于冷却剂流入通道8的面积，两者面积的比值可以为1至4。
阴、阳极板上的氧化剂、还原剂和冷却剂均可以是逆流操作(氧化剂流入通道与还原剂流入通道不在阴、阳极板的同一侧)，也可以并流操作(氧化剂流入通道与还原剂流入通道位于阴、阳极板的同一侧)。
在本发明中，阴极板与阳极板上的氧化剂与还原剂的流入通道面积，由电堆的运行工况、输出功率、体积比功率以及反应气体介质在流经各自的流场时发生物理和化学反应时的流动阻力降等参数计算得到，结合其与流出通道的面积比例，可以得出对应的氧化剂与还原剂的流出通道面积。优选地，氧化剂流入通道的面积可以为5cm2～60cm2，还原剂流入通道的面积可以为2cm2～20cm2。
阴极板与阳极板上的冷却剂流入通道面积，由电堆的运行工况、输出功率、体积比功率、电堆内部温度差控制要求以及冷却剂在流经冷却液流场时的流动阻力降等参数计算得到，结合其与冷却剂流出通道的面积比例，可以得出对应的冷却剂流出通道面积。优选地，冷却剂流入通道的面积为5cm2～60cm2。
根据阴极板和阳极板的整体设计，通过调整各通道的长度、宽度、角度、圆角半径或相对位置来实现上述要求的氧化剂、还原剂、冷却剂的流入/流出通道面积。
各流入/流出通道的形状确定原则：应综合双极板的整体设计，设计并调整各分配通道的形状，尽量取各分配通道的水力直径的较大值，以减小流体介质在分配通道内的流动阻力降。
由上述阴极板、阳极板和膜电极组件可以构成燃料电池电堆。
构成电堆的方法有两种，一种是由阴极板和阳极板经焊接成为双极板，如图3所示，叠合时，氧化剂流道18与还原剂流道19朝外，阴极板上的氧化剂流入通道1与阳极板上的氧化剂的流入通道9在叠合的厚度方向重合；阴极板上的还原剂的流出通道3与阳极板上的氧化剂的流入通道7在叠合的厚度方向重合，之后，双极板与膜电极组件层叠，经压缩紧固构成，如图5所示，阴极板与阳极板上的流体分配通道，在电堆的厚度方向构成电堆内部的流体分配管路20、21、22、23、24、25。该方法的优点是加工方便、结构简单，缺点是焊接后的双极板易变形和翘曲。
第二种构成电堆的方法是由阴极板、膜电极组件、阳极板依次粘接一体形成单电池，由多个单电池经压缩紧固构成。该方法的加工过程较繁琐，需要使用特殊的树脂材料作为粘结剂，增加生产成本，对单极板的层压精度要求较高，优点是层叠为电堆的过程较简单，便于维修。
实施例一
在本实施例中，阴、阳极板上的氧化剂流入通道的面积设定为15cm2，氧化剂流出通道的面积与氧化剂流入通道的面积比α设定为1.5，还原剂流入通道的面积设定为6cm2，还原剂流出通道的面积与还原剂流入通道的面积比α设定为1，冷却剂流入通道的面积设定为16cm2，冷却剂流出通道的面积与冷却剂流入通道的面积比α设定为1.8。由上述阴、阳极板和膜电极结构构成290节的电堆。
采用的对比例的阴、阳极板上的氧化剂流入通道的面积设定为15cm2，氧化剂流出通道的面积与氧化剂流入通道的面积比α设定为1/1.5，还原剂流入通道的面积设定为6cm2，还原剂流出通道的面积与还原剂流入通道的面积比α设定为1，冷却剂流入通道的面积设定为16cm2，冷却剂流出通道的面积与冷却剂流入通道的面积比α设定为1/1.8。由上述阴、阳极板和膜电极结构构成290节的电堆。
参阅图6和图7，从图中可以看到，本发明较对比例，能够显著的改善介质从各自的分配通道分配至各节电池内的流量差异的情况。因此，本发明能够均匀分配电堆各节电池放电所需的反应气体，减小电堆内部各节单电池的氧化剂、还原剂、冷却剂三种流体的流量差异，保证电流密度分布均匀，避免局部过热，从而提高各节电池输出的电性能均一性。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种非对称结构的燃料电池阴阳极板，包括用于分配氧化剂的阴极板和用于分配还原剂的阳极板，所述阴极板和所述阳极板上均设有供氧化剂流入的氧化剂流入通道、供还原剂流入的还原剂流入通道、供冷却剂流入的冷却剂流入通道、供氧化剂流出的氧化剂流出通道、供还原剂流出的还原剂流出通道、供冷却剂流出的冷却剂流出通道，所述阴极板上的氧化剂流入通道、还原剂流入通道、冷却剂流入通道分别与所述阳极板上的氧化剂流入通道、还原剂流入通道、冷却剂流入通道对应完全一致，所述阴极板上的氧化剂流出通道、还原剂流出通道、冷却剂流出通道分别与所述阳极板上的氧化剂流出通道、还原剂流出通道、冷却剂流出通道对应完全一致，其特征在于，
所述阴、阳极板为非对称结构，且
所述阴、阳极板上的氧化剂流入通道的面积为5cm2～60cm2，所述氧化剂流出通道的面积与所述氧化剂流入通道的面积的比值范围为1～4；
所述阴、阳极板上的还原剂流入通道的面积为2cm2～20cm2，所述还原剂流出通道的面积与所述还原剂流入通道的面积的比值范围为1～4；
所述阴、阳极板上的冷却剂流入通道的面积为5cm2～60cm2，所述冷却剂流出通道的面积与所述冷却剂流入通道的面积的比值范围为1～4。
2.根据权利要求1所述的非对称结构的燃料电池阴阳极板，其特征在于，所述阴、阳极板上的氧化剂流入通道与还原剂流入通道不在阴、阳极板的同一侧；或者所述阴、阳极板上的氧化剂流入通道与还原剂流入通道位于阴、阳极板的同一侧。
3.根据权利要求1所述的非对称结构的燃料电池阴阳极板，其特征在于，所述各通道的横截面形状通过调整横截面的长度、宽度、角度、圆角半径或相对位置实现。
4.根据权利要求1所述的非对称结构的燃料电池阴阳极板，其特征在于，所述各通道的面积确定后，选择各通道的水力直径的最大值为各通道最优形状。
5.一种非对称结构的燃料电池电堆，其特征在于，由权利要求1～4所述的任一非对称结构的阴、阳极板和膜电极组件构成。
6.根据权利要求5所述的非对称结构的燃料电池电堆，其特征在于，所述电堆是由权利要求1～4所述的任一非对称结构的阴极板和阳极板经焊接成为双极板后，与所述膜电极组件层叠，经压缩紧固构成。
7.根据权利要求5所述的非对称结构的燃料电池电堆，其特征在于，所述电堆是由权利要求1～4所述的任一非对称结构的阴、阳极板和膜电极组件粘接一体形成单电池，由多个单电池经压缩紧固构成。
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